Defining the Translocation Mechanisms of SARS-CoV-2 nsp13 Helicase to Aid in Antiviral Development
定义 SARS-CoV-2 nsp13 解旋酶的易位机制以帮助抗病毒药物开发
基本信息
- 批准号:10346024
- 负责人:
- 金额:$ 47.92万
- 依托单位:
- 依托单位国家:美国
- 项目类别:
- 财政年份:2021
- 资助国家:美国
- 起止时间:2021-09-17 至 2026-08-31
- 项目状态:未结题
- 来源:
- 关键词:2019-nCoVATP HydrolysisATP phosphohydrolaseAddressAntiviral AgentsArginineAttenuated VaccinesBehaviorBindingBiochemicalBiological AssayCOVID-19CatalysisCessation of lifeCharacteristicsCommunicationCoupledCouplesCrystallizationCrystallographyDataDengueDevelopmentElementsEnzyme KineticsEnzymesGoalsHydrolysisIn VitroIndividualKnowledgeLengthLigand BindingLigandsMapsMechanicsMiddle East Respiratory SyndromeModelingMolecularMolecular ConformationMotionMutagenesisMutationNonstructural ProteinNucleotidesPathway AnalysisPersonal SatisfactionPhenotypePlayProcessProteinsProtocols documentationRNARNA BindingRNA HelicaseRNA VirusesRNA-Protein InteractionReactionResearch PersonnelResistanceSARS coronavirusSite-Directed MutagenesisStructureStructure-Activity RelationshipSubgroupTechniquesTemperatureTestingTherapeuticVaccinesViralViral ProteinsVirusVirus ReplicationWorkX-Ray Crystallographyanalogbasecombatdesignenzyme mechanismenzyme structureexperienceexperimental studyhealth economicshelicaseholistic approachimprovedin silicoinhibitor/antagonistinsightmolecular dynamicsmolecular scalemulti-scale modelingmutantnovelquantumresistance mutationresistant strainresponsesimulationskillstargeted treatmenttherapeutic developmenttripolyphosphatevaccine developmentviral RNA
项目摘要
Project Summary
SARS-CoV-2, the causative agent of COVID-19, has infected more than 103M people worldwide (February
2021) with more than 2.25M deaths, and represents a dire threat to the health and economic well-being of the
entire world. Although vaccines seem to be effective against SARS-CoV-2, recent information regarding
potential vaccine resistant strains highlights the importance of alternative strategies to combat this virus. The
development of antiviral therapeutics on important mutation resistant viral proteins such as nsp13 is one such
strategy. Improved knowledge of the molecular mechanisms utilized by nsp13 are necessary to rationally
develop inhibitors. This project will address this deficiency utilizing an integrated multiscale modeling, protein
crystallography, and biochemical approach to define how SARS-CoV-2 nsp13 helicase binds RNA and ATP
substrates, transduces energy during ATP binding and hydrolysis, and changes conformation during ligand
binding and catalysis. We propose the following: 1) Identification of molecular-level components of the RNA-
binding and translocation mechanisms of nsp13. Preliminary all-atom molecular dynamics (aaMD) simulations
of SARS-CoV-2 nsp13 have identified key protein-RNA interactions that will inform initial mutagenesis studies.
Further simulation and protein crystallography will inform on the ATP-dependent protein-RNA interactions
observed in the RNA cleft. Biochemical experiments will be performed to test the structure-function
hypotheses generated by the structural-based approaches. 2) Identification of molecular-level features of the
binding, hydrolysis and product release of ATP by nsp13. We have performed aaMD simulations of the SARS-
CoV-2 nsp13 in all relevant substrate states. Soaked-in ATP and non-hydrolysable analogue protein
crystallography will be performed to test these initial models. Subsequent quantum mechanical calculations
will identify key components of the ATP hydrolysis reaction. Site-directed mutagenesis and well-established
enzyme kinetics assays will be used to test effects predicted by these simulations. 3) Identification of allosteric
networks in SARS-CoV-2 nsp13 that transduce energy from ATP binding and hydrolysis to perform RNA
translocation. Utilizing network analyses of aaMD simulations, Motif V has been identified as a key allosteric
contributor. Biochemical studies will be performed to verify that Motif V is necessary for nsp13 helicase
function. Further work will be done to identify allosteric networks between additional components of the ATP
pocket and RNA cleft identified in Aims 2 and 3. This work will produce unprecedented molecular-level insight
into the translocation mechanism of SARS-CoV-2 nsp13 helicases. Key components of this mechanism
represent new targets for antiviral development.
项目概要
SARS-CoV-2 是 COVID-19 的病原体,已感染全球超过 1.03 亿人(2 月
2021 年),死亡人数超过 225 万人,对人们的健康和经济福祉构成了严重威胁
全世界。尽管疫苗似乎对 SARS-CoV-2 有效,但最近有关的信息
潜在的疫苗抗性菌株凸显了对抗这种病毒的替代策略的重要性。这
针对重要突变抗性病毒蛋白(例如 nsp13)的抗病毒疗法的开发就是其中之一
战略。提高对 nsp13 所利用的分子机制的了解对于合理地
开发抑制剂。该项目将利用集成的多尺度建模、蛋白质
晶体学和生化方法来定义 SARS-CoV-2 nsp13 解旋酶如何结合 RNA 和 ATP
底物,在 ATP 结合和水解过程中转换能量,并在配体过程中改变构象
结合和催化。我们提出以下建议: 1) 鉴定 RNA 的分子水平成分
nsp13 的结合和易位机制。初步全原子分子动力学 (aaMD) 模拟
SARS-CoV-2 nsp13 已确定了关键的蛋白质-RNA 相互作用,这将为初步诱变研究提供信息。
进一步的模拟和蛋白质晶体学将揭示 ATP 依赖性蛋白质-RNA 相互作用
在 RNA 裂缝中观察到。将进行生化实验来测试结构功能
基于结构的方法产生的假设。 2)分子水平特征的鉴定
nsp13 与 ATP 的结合、水解和产物释放。我们对 SARS 进行了 aaMD 模拟
所有相关底物状态下的 CoV-2 nsp13。浸泡的 ATP 和不可水解的类似蛋白
将进行晶体学测试来测试这些初始模型。随后的量子力学计算
将识别 ATP 水解反应的关键成分。定点诱变和成熟
酶动力学测定将用于测试这些模拟预测的效果。 3)变构鉴定
SARS-CoV-2 nsp13 中的网络可将 ATP 结合和水解产生的能量转换为 RNA
易位。利用 aaMD 模拟的网络分析,Motif V 已被确定为关键的变构
贡献者。将进行生化研究以验证 Motif V 对于 nsp13 解旋酶是必需的
功能。将开展进一步的工作来确定 ATP 附加组件之间的变构网络
目标 2 和 3 中确定的口袋和 RNA 裂口。这项工作将产生前所未有的分子水平洞察力
SARS-CoV-2 nsp13 解旋酶的易位机制。该机制的关键组成部分
代表了抗病毒开发的新目标。
项目成果
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专著数量(0)
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